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摘 要： 摘要：建立污泥停留時間為5d和10d的兩套厭氧反應器系統通過對比兩厭氧反應器污泥中有機物以及金屬指標，研究厭氧條件下金屬與有機物的釋放規律。研究表明，污泥絮體中K、Ca、Mg、Fe、A1五種常見金屬在兩厭氧反應器中均發生釋放作用，且金屬的釋放規律與蛋白
摘要：建立污泥停留時間為5d和10d的兩套厭氧反應器系統通過對比兩厭氧反應器污泥中有機物以及金屬指標，研究厭氧條件下金屬與有機物的釋放規律。研究表明，污泥絮體中K、Ca、Mg、Fe、A1五種常見金屬在兩厭氧反應器中均發生釋放作用，且金屬的釋放規律與蛋白質、溶解性COD的釋放規律相一致，Na變化較小，三價金屬結合的胞外蛋白質存在離解釋放機制。10D的反應系統的厭氧環境相較于5D更加穩定，且污泥濃度有下降趨勢，可預期有更好污泥減量的效果。
關鍵詞：厭氧;污泥;金屬釋放;有機物釋放
以活性污泥法為主體的城市污水處理工藝在運行的同時會產生大量剩余污泥，剩余污泥的處理處置費用高昂，而且有可能造成嚴重的二次污染。實現污泥源頭減量化從而減少后續處置工藝和緩解環境壓力已經成為環境工程研究的重要課題。
好氧一沉淀一厭氧(OSA)m藝具有良好的污泥減量化效果，且對出水水質影響較小，多項實踐結果顯示其污泥減量率在40%一60%之間l1、2】。目前對OSA工藝減量化機理存在很多不同的觀點，如能量解耦聯代謝與能量濺溢理論13]、污泥自身衰退理論、胞外聚合物金屬絡合物離解理論[51等。無論是利用何種機理對污泥進行減量。厭氧反應器都在其中起了極為關鍵的作用，因此.研究污泥在厭氧條件下的有機物與金屬的釋放規律都將對OSA工藝的機理研究以及工藝優化起到重要作用。本課題基于OSA工藝分別設立SRT=5和SRT=10兩個厭氧反應器，研究厭氧條件下金屬與有機物的釋放規律。
1材料和方法
1.1實驗模型建立.
建立兩個完全混合的污泥厭氧反應器。SRT分別為5天和1O天，以完全混合的方式運行，每日進/排泥各1次，同時測定進出污泥中溶解性COD(SCOD)、總COD(TCOD)、可溶性蛋白質、SS、VSS、TS、溶解性金屬、總金屬等指標的變化，分析有機物和金屬的釋放規律。實驗過程中，室溫恒定為25℃。實驗裝置示意圖見圖1所示。
所選用的新鮮污泥取自廣州市瀝浯污水處理廠二沉池(污水處理工藝為A/A/O)，每周取回新鮮的污泥后置于4℃的冰箱中保存待用實驗采用20L的塑料容器作反應器，污泥有效容積為10L，反應器啟動初期，通人氮氣以保證系統處于嚴格的厭氧狀態。反應裝置上中下三個部位分設三個出泥口。每次從三個出口平均排泥后混合，確保取樣的代表性。采用機械攪拌使反應器處于完全混合狀態，反應器頂部連接氣袋進行氣體的收集。
1.2檢測指標及測定方法
厭氧污泥樣品的各項溶解性指標。采用如下步驟進行預處理：將反應器中取出的污泥立即進行12，000r/rain離心，離心液通過0.45m微孔濾膜后按照《水和廢水監測分析方法》問測定濾液的各項指標。主要指標和測定方法如表l所示。
便于表述方便，此處定義研究中出現的縮略語：“5D系統”指SRT為5天的厭氧污泥系統;“10D系統”指SRT為1O天的厭氧污泥系統：“dx”指實驗開始后第X天。
2結果與分析
2.1污泥濃度變化
通過考察厭氧反應器污泥濃度可以從表觀上分析污泥增長與削減情況。由于系統中污泥一直處于完全混合狀態，污泥濃度可以由懸浮物濃度SS反映.污泥中有機物的變化情況可以用VSS/SS的變化來反映。實驗過程中兩反應器的SS和VSS/SS的變化情況見圖2所示。
實驗啟動時，兩反應器污泥濃度均為10500mg/L。實驗前期dl—d15，兩個厭氧反應器內污泥濃度整體上都呈下降再逐漸增長趨勢。由于反應器體積較小，從污水廠取來的新鮮污泥濃度有一定的變動，使得SS表現出一定的波動。綜合來看兩反應器污泥濃度相對穩定，變化幅度小。SS下降主要因為生物量的降低.底物缺乏和缺氧都會導致微生物死亡溶胞，生物質分解成可溶性物質，從而導致污泥濃度的降低。
在系統啟動初期5D反應器的污泥濃度遠小于10D反應器濃度，5D反應器污泥濃度總體呈上升趨勢，而10D反應器濃度基本處于平穩狀態。污泥停留時間較長，有利于有機物質的分解消化，促進了污泥的削減[71。
由圖2中也可以看出，兩反應器VSS/TS比值波動不大。均無明顯增長或下降趨勢。但總體上說，10D反應器該值小于5D反應器，分別為0.55與0.59，這說明隨著泥齡的增長，污泥中微生物種群有老化衰退跡象，10D反應器污泥中更多的有機物(VSS)通過微生物死亡溶胞作用轉化為可溶性物質。
2-2CoD的變化情況
通過檢測污泥可溶性COD(SCOD)與總COD(TCOD)，研究厭氧反應器對COD的去除效果。兩反應器污泥COD含量變化如圖3所示。
5D系統的SCOD平均值為163.18mg/L略高于10D系統的平均值157.25mg/L。對于TCOD，10D系統明顯高于5D系統�？梢�10D系統對污泥消解的更多。由于污泥取樣和COD測定的偶然性較大。因此圖3的結果波動較大。在運行過程中出泥TCOD沒有明顯下降，這主要是溶胞作用使細胞中的有機物進入混合液中，同時造成SCOD的升高。10D系統的溶胞作用更強。
2.3可溶性蛋白質的變化
兩系統厭氧反應器中可溶性蛋白質的變化情況如圖4所示。多項研究表明ol，蛋白質是胞外聚合物(EPS)的主要組成成分，因此測定溶解性蛋白質將有助于了解污泥EPS的理解狀況。由圖4可知.5D系統與10D系統污泥中可溶性蛋白質含量均值分別為137.74mg/L與107.25mg/L，且兩反應器污泥中可溶性蛋白質含量均呈少量的上升趨勢，d12開始5D系統污泥中可溶性蛋白質含量高于10D系統。說明在厭氧條件下，大量生物質死亡溶解使得溶胞物質進入混合液中，蛋白質發生了釋放現象，而較長的反應時間促使更多的有機物被降解成無機物。
2.4金屬釋放規律研究
通過分析兩系統中六種金屬(K、Na、Ca、Mg、Fe、A1)的總含量和溶解態含量的變化情況，研究厭氧條件下的金屬釋放規律。
2.4.1金屬K和Na的變化情況
金屬K和Na含量變化情況見圖5和圖6所示
從圖5中可以看出，dl—d15兩厭氧系統中污泥溶解性K含量均隨著運行時間的增加而急劇上升，10D系統污泥中溶解性K含量略高于5D系統，d15之后溶解性K含量值趨于平穩。由于SCOD和蛋白質在反應初期急劇上升，且10D系統含量更高，可見溶解性K含量來源于微生物的溶胞作用。Bakker等1發現，在厭氧環境中K含量的升高可說明其中存在細胞死亡溶解現象，且在SRT更長情況下，K+作為細胞質重要組成部分，在厭氧情況下隨細胞溶解釋放出來。兩反應器中K的總含量也在dl—d15期間有增加.反應器運行穩定后趨于平穩且接近原泥總K含量92.12mg/L。
Na作為常量元素濃度很高。兩系統污泥中可溶性Na含量均值分別為45.67mg/L和46.93mr,/L，Na的總含量均值分別90.63mg/L和93.87mg/L，可溶性Na含量和總Na含量測量結果波動較大，但均值與原泥Na含量均值相近。因Na與其他生物聚合物的結合沉淀能力差且可自由進出微生物細胞壁、細胞膜，Na的變化不能反映細胞內外物質的變化。
由此可見，一價金屬K在厭氧環境下發生了釋放現象.使得溶解性金屬含量升高。結合圖4可知，蛋白質的釋放伴隨著金屬的釋放，二者釋放規律一致，由此得出蛋白質和金屬離子伴隨EPS的離解而被釋放出來。
2.4.2金屬Ca和Mg含量變化情況
金屬Ca和Mg含量變化情況見圖7和圖8所示。
對于可溶性Ca，5D系統污泥中含量略高.均值為60.65mg/L。兩系統內Ca總量有逐漸下降趨勢，兩反應器中均值分別為354.16mgCL和386.02mg/L。對于可溶性Ca所占百分比比值，兩反應器均有明顯的上升趨勢說明Ca在厭氧環境中得到釋放。研究表日月【挖一31，厭氧反應器中溶解性TP會有大幅度增加，其中一部分磷酸鹽與厭氧環境中的Ca2+結合。形成一系列正磷酸鈣鹽以及羥基磷灰石(Ca(PO4)3OH，HAP)不溶物，形成沉積f】41。反應中一定數量的Ca通過與磷酸根結合沉積在反應器底部累積造成了總Ca含量下降，表觀顯示可溶性Ca濃度變化不大。
由圖8可知，兩反應器中可溶性Mg含量和Mg總量也均在dl—d15有明顯上升趨勢d15后趨于平穩，且兩反應器內含量相當。
上述實驗說明在厭氧條件下，污泥中二價金屬Mg和Ca均發生了釋放.而Novakf~認為鈣鎂結合態的胞外聚合物在好氧環境中容易被釋放出來，這與實驗中得出的規律矛盾。
2.4.3金屬Fe和Al含量變化情況
金屬Fe和Al含量變化情況見圖9和圖10所示。
對于Fe總量，兩系統中含量相差較小。對于二價鐵，d1一d5有明顯上升現象，之后下降，保持在比較低的水平。根據金屬釋放理論，三價鐵被還原為二價鐵也可以引起金屬與胞外聚合物離解。Novak等在研究污泥厭氧金屬釋放時發現【15、l司，在厭氧環境下.Fe會有選擇性地與蛋白質結合在一起，并還原為二價Fe，減弱了Fe與EPS之間的連接作用，部分EPS成為溶解態物質釋放到溶液中，這與實驗結果是一致的。由圖10得出，二價Fe含量不高，且細胞的溶解沒有導致可溶性Fe的增加，主要是由于污泥微生物細胞內Fe元素含量不高，因Fe鹽具有較強的絮凝作用.Fe元素存在于污泥微生物質聚合物之中，Fe絮凝后形成螯合物或者難溶解形態，因此溶解性的Fe釋放水平不高。
兩反應器污泥Al含量所測定值波動均很大，平均值很接近。Al在反應器中釋放水平很低，因為Al鹽也有絮凝作用，Al與Fe有相似的釋放機理
3結論
(1)在5D和10D的兩厭氧系統中，各金屬含量的變化趨勢很接近，污泥絮體中K、Ca、Mg、Fe、Al六種常見金屬均有一定量的釋放作用發生，且與反應器中蛋白質和溶解性COD的釋放規律相一致。Na沒有明顯的釋放規律.二價金屬Mg和Ca有明顯的釋放現象，實驗結果與Novak的結論相矛盾。三價金屬Fe和A1結合的胞外蛋白質存在離解釋放機制。說明金屬釋放的同時帶來胞外聚合物的離解和釋放。
(2)10D厭氧反應器中可溶性指標含量較污泥停留時問為5D厭氧反應器低，主要是釋放出來的可溶性有機物在厭氧環境下被降解，污泥停留時間為l0天時可預期更好的污泥減量效果：厭氧環境中，好氧微生物死亡.溶胞作用使有機物溶于混合液中，使污泥中可溶性指標含量水平升高，如K+和蛋白質;同時VSS/TS值不高，說明反應器中存在有機物的厭氧消化作用。
(3)10D的反應系統的厭氧環境相較于5D厭氧反應器更加穩定，且污泥濃度有下降趨勢，實驗證明污泥停留時間為10天時更有利于減量化工藝系統后續有機物的降解，可預期有更好污泥減量的效果。
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